用于微电子机械系统封装的体硅键合技术和薄膜密封技术

摘要

对静电键合、体硅直接键合和界面层辅助键合等三种体硅键合技术，整片操作、局部操作和选择保护等三种密封技术，以及这些技术用于微电子机械系统的密封作了评述，强调在器件研究开始时应考虑封装问题，具体技术则应在保证器件功能和尽量减少芯片复杂性两者之间权衡决定。

正文

《1 引言》

1 引言

Delapierre曾谈到他们公司20年里微电子机械系统 (MEMS) 从实验室走向产业的经验 ^[1]:从研究、开发到生产出一个MEMS器件, 包括完成封装, 一般要20人年工作量。对MEMS封装, 包括完成芯片后的无损伤切割、装架和封装等, 以及由此引起的机械性损伤、化学沾污、温度导至芯片性能变坏、真空或气氛对芯片性能等对器件可靠性、重复性的影响, 从器件研究一开始就应该考虑。文献[2,3]提到, 封装占MEMS大部分成本, 从经济核算考虑, 也应非常重视封装问题。

文中封装指前封装, 其基础是体Si键合技术和薄膜密封技术。从过程讲, 一般会先研究抛光体Si键合, 积累键合经验, 但实际Si片不是抛光体Si, 而是经历过一套芯片工艺, 表面有一定粗糙度, 还有钝化层和金属层。键合、密封和封装很难区分, 有时笼统称为封装。一般地说, 键合往往用做复合体材料的衬底, 是管芯前工艺, 但有时也作为封盖, 则是管芯后工艺。密封用以堵塞间隙或小孔, 是管芯工艺一部分, 可归入前封装。封装比键合和密封涉及面广, 包括管芯防护和装架以及与系统联结等问题, 是后工艺。但如上所述, 文中封装指前封装, 一般到管芯防护为止, 有整片操作和局部操作以及选择保护之分。采用局部操作和整片封装是发展方向, 但技术难度较高。这些技术用于封装MEMS时应权衡器件功能和技术复杂性而定。

体Si键合和薄膜密封技术有很多报道, 但很少报道MEMS封装技术, 一方面是其中具体技术和工艺问题难以成文发表, 一方面是其中涉及产品商品化的专利和诀窍不愿发表, 近几年情况稍有改变。应该指出, 在MEMS研究中, 国内外过去对封装都有所忽视。本文将对近年来用于MEMS封装的体Si键合、薄膜密封技术及有关问题进行评述, 旨在引起MEMS领域科技工作者的重视。

《2 体Si键合技术》

2 体Si键合技术

在Si平面技术基础上发展起来的体Si微机械技术, 最早用于规模化生产Si压阻式压力传感器 ^[4], 其中很重要的技术是体Si键合。

Ko等对体Si键合早有评述 ^[5], 其措施有共晶键合、树脂键合、聚铣亚胺键合、热压金属键合、超声键合、激光键合、静电键合和低温玻璃键合等, 其中对适合传感器的共晶键合、静电键合和低温玻璃键合及键合后器件长期稳定性的介绍尤为详细。以后又出现Si直接键合技术及抗腐蚀性特别好的用于键合Si₃N₄薄膜的界面层辅助键合技术。下面介绍最近用得最多、最重要的三种键合技术。

《2.1静电键合》

2.1静电键合

静电键合 (EB) 又称电场辅助键合或阳极键合, 1969年即有报道 ^[6], 在Ko等专著和教科书 ^[7]中有详细介绍。这种技术将玻璃与金属或体Si等半导体键合起来而不用粘合剂, 键合界面气密性和稳定性良好。键合条件是, Si片接阳极, 玻璃接阴极, 温度300～400 ℃, 偏压500～1000 V (与玻璃厚度和表面平整度等有关) 。要使键合良好, Si片和玻璃的表面粗糙度尽可能小, 颗粒尽可能少, 材料热膨胀系数相近, Si片上氧化层<0.2 μm。这种技术也可以在真空下进行, 称为真空EB。EB材料一般用作衬底, 有时也用作封盖。

近几年来伴随反应离子深刻蚀技术的突破, 利用EB技术制造MEMS的兴趣大增, 一则可以获得更厚的机械结构 (作为加速度计和陀螺, 希望有厚微结构) , 二则可以不做牺牲层。

真空电容压力传感器 ^[8]用两片玻璃 (G₁和G₂) 和两片Si片 (Si₁和Si₂) 、经3次EB做成。第一次EB, 将预先做好小引线孔和小测试孔的G₁与7 μm P⁺⁺/Si₁键合, 腐蚀Si₁成为7 μm P⁺⁺ Si/G₁材料的伺服电极/上盖。在Si₂正反面腐蚀出浅坑 (深度11 μm和4 μm, 作伺服电极和测试电极的间隙, 构成电容) , 坑正面形成7 μm P⁺⁺ Si/Si₂, 作第二次EB, 与上盖键合, 成为内外相通的空腔。在对正面保护下, 从背面腐蚀坑内Si₂只剩7 μm P⁺⁺ Si (作压力敏感的弹性膜) , 作第三次真空EB, 将Si₂与预先做好下电极的G₂键合, 形成低压密封空腔。如果事先在空腔中放入Ti-Zr-V-Fe合金除气剂, 键合后真空度进一步提高至<133 μPa。关于EB键合可靠性, 参考低压EB的Si双框架陀螺 ^[9], 其品质因子在2 MPa加速泄漏试验5年后未改变, 可见其可靠性相当好。

《2.2Si片直接键合》

2.2Si片直接键合

Si片直接键合 (SDB) 又称Si片熔融键合, 最早见文献[10]。这种技术不用粘合剂, 在800～1 100 ℃下, 几小时将两片抛光Si片键合起来, 键合强度随温度升高而增强, 界面气密性和稳定性良好。要使键合良好, Si片表面需先经特殊处理, 还要非常平整, 没有任何颗粒 (包括悬浮颗粒) , 氧化层尽量薄。文献[11]表明, 没有氧化层、非常清洁的Si片可在250 ℃键合, 键合强度高;有了氧化层则必须在高温下键合。由于对表面要求特别高, SDB一般用于键合抛光体Si做成SOI材料而不用于封装MEMS, 有时用EB材料做成SOI材料代替, 除非对键合材料应力匹配要求特别高。

Petersen等最早用SDB做成高压、低压和高温传感器 ^[12], 构思巧妙。以低压器件为例, 将P-Si₁材料外延为N-Si₁/P-Si₁ (外延N-Si₁即以后弹性膜厚度) , 另将N-Si₂各向异性腐蚀出空腔, 用SDB将两者键合, 腐蚀全部P-Si₁成为N-Si₁弹性膜/N-Si₂衬底, 在膜上离子注入和光刻形成P⁺⁺-Si₁电阻, 减薄N-Si₂衬底至适当厚度, 露出空腔构成管芯。这种用Si材料做力敏电阻和弹性膜的压力传感器, 没有匹配应力, 长期稳定性好, 而且管芯面积只是通常结构器件的一半。

《2.3界面层辅助键合》

2.3界面层辅助键合

界面层辅助键合 (IAB) 技术是在两材料间加一层界面层起辅助键合作用, 再用EB或加热将单独用EB或加热不能键合的两种体材料键合起来。

体Si与体Si键合除用SDB外, 也用玻璃IAB结合EB技术。为此, 至少需玻璃层厚度2 μm, 用溅射很难达到, 因此至今该技术应用不多。玻璃胶涂

《图1》

技术 ^[13], 可以方便地像光刻胶那样涂

《图2》

在体Si表面, 一次涂胶厚度2 μm, 二次4 μm, 玻璃胶也可以作腐蚀掩蔽膜, 在TMAH中腐蚀速率小至15 nm/h (TMAH浓度25%, 腐蚀温度25 ℃) , EB键合条件为温度400 ℃, 偏压30～40 V (玻璃层厚度2～4 μm, 相应击穿电压90～160 V) , 键合强度30 MPa。文献[13]中介绍了玻璃胶的配方和合成条件:四乙醇正硅酸盐与钾盐以一定比例溶在乙醇里合成, 通过0.2 μm滤孔过滤, 在600 ℃空气下退火, 有机溶剂挥发、凝胶氧化和密度增加成为玻璃, 成分中含5 %～8 % K₂O。

为了提高MEMS在恶劣环境中抗腐蚀性, 有时用Si₃N₄薄膜, 因此需要体Si或玻璃与Si₃N₄薄膜键合。有文献表明, 在400 ℃中将体Si与Si₃N₄薄膜/体Si键合, 必须采取措施。表1系采取氧处理 (湿氧、RIE或去胶系统处理) 对Si₃N₄薄膜表面进行材料改性, 生成非常薄氮氧化硅膜 (Si_XO_YN_Z) , 然后再用EB对这两种材料键合 ^[14]。溅射玻璃薄膜于Si₃N₄表面, 成为实际是体Si与玻璃薄膜EB键合 ^[15]。文献[16]通过玻璃上4 μm Al在750 ℃快速加温过程 (RTP) 中将玻璃与Si₃N₄薄膜/多晶Si键合起来。文献[17]未对Si₃N₄ 薄膜表面进行材料改性, 而能将玻璃与Si₃N₄ 薄膜/玻璃键合。笔者认为, Weichel等检查键合结果是将大片体Si划成小样品, 而Berthold等则给出大片体Si键合结果;大片样品能键合好, 小片样品未必都能键合好。

表1 界面层辅助键合氮化硅薄膜 (根据有关论文整理)

Table 1 Interfacial layer used in enhanced bonding of silicon nitride films (data taken from different authors)

《表1》

材料1	材料2	键合条件	键合强度/ MPa	键合比率/%	文献
Si (100)	湿氧处理Si₃N₄薄膜/Si (100) ^*1	EB, 800 V, 400 ℃,	23	100	[14]
Si (100)	RIE处理Si₃N₄薄膜/Si (100) ^*2		8	80	[14]
Si (100)	去胶系统处理Si₃N₄薄膜/Si (100) ^*3	N₂, 1 Pa, 15 min	13	80	[14]
Si	溅射玻璃薄膜/Si₃N₄薄膜/Si	EB, 400 ℃	10～20		[15]
Al/玻璃	Si₃N₄薄膜/多晶Si^*4	RTP, 750 ℃, 10 s	10	破坏断裂面只发生在玻璃上	[16]
玻璃	200 nm Si₃N₄薄膜/玻璃	EB, 700 V, 400 ℃, 10 min			[17]

^*1 Si (100) , 温度800 ℃ 下LPCVD 沉积厚度100 nm Si₃N₄, 成Si₃N₄ (100 nm) /Si (100) 材料, 再经湿氧处理, 温度1 000 ℃, 时间30 min, 表面生成5 nm Si_XO_YN_Z材料。^*2 上述Si₃N₄ (100 nm) /Si (100) 材料, 再经RIE处理, 氧气氛40 kPa, 功率50 W, 衬底温度100 ℃, 时间 10 min的材料。^*3 上述Si₃N₄ (100 nm) /Si (100) 材料, 再经去胶系统处理, 氧气氛100 Pa, 功率1 000 W, 衬底温度400 ℃, 时间30 min的材料。^*4 工艺过程形成Si₃N₄薄膜 (0.5 μm) /多晶Si 2 μm/PSG 1.75 μm/…/Si (100) 材料

《3 薄膜密封技术》

3 薄膜密封技术

体Si微机械技术是双面加工微机械技术, 不完全与平面工艺相容, 随着这套技术进展, 又出现了单面加工Si表面微机械加工技术 ^[18], 完全与平面工艺相容, 为制出微马达等会动的微执行器以及规模化生产谐振式微加速度计 ^[19]和集成度可与IC比拟的数字微镜器件 (DMD) ^[20]发挥了作用。

当用表面微机械加工技术制造空腔式压力传感器时, 通过腐蚀通道或小孔腐蚀牺牲层和Si材料形成空腔, 然后就有一个用薄膜填满加以密封的问题。早期是整片操作 (加热和沉积) 的密封, 近来出现了局部操作的密封。

《3.1整片操作密封》

3.1整片操作密封

Esashi等用表面微机械技术制备Si微膜压力传感器 ^[8], 其三种方案的设计、工艺和材料不相同, 封装后器件空腔内压力都达到67 Pa水平, 参数符合设计要求, 但成品率相差很大, 见表2。其中牺牲层材料和尺寸以及密封层材料和厚度大致相同, 但空腔形状、腐蚀孔位置以及弹性膜材料和厚度不相同。从该文的示意图可见, 方案1的坑相当深, 方案2和方案3的坑较浅;此外腐蚀坑内单晶Si的腐蚀剂也不相同, 方案1是KOH, 方案2和方案3是 TMAH。原文未讨论成品率相差很大的主要原因和那一步工艺影响最大。我们注意到通过腐蚀孔腐蚀Si (多晶牺牲层和体单晶) 时有气泡产生, 因此控制气泡总量 (对方案1, 坑最深, Si腐蚀量最多) 、逸出速度和流向 (方案1腐蚀速度快, 方案2和方案3腐蚀速度慢) , 改进弹性膜材料 (改单层为多层, 减少内应力) 以及将密封层材料沉积到衬底 (方案2和方案3的坑较浅, 密封层起到支撑弹性膜作用) 都有利于提高成品率。

表2 微机械加工后微膜的成品率 (根据Esashi等 ^[8]资料整理) ^*

Table 2 Diaphragm production yield after micromachining process (data taken from Esashi et al ^[8])

《表2》

方案	空腔形状和尺寸	牺牲层材料和尺寸/μm	各层弹性膜材料和尺寸/μm	腐蚀孔位置和尺寸/μm	密封层材料和厚度/μm	成品率 /%
1	锥形 (上大下小)	多晶Si: 40×40×0.15	Si₃N₄: 40×40×0.2, SiN: 40×40×1	膜四角, 4个, ϕ8	CVD SiN, h=1	3
2	圆形	多晶Si: ϕ100×0.2	Si₃N₄: ϕ100×0.1, 多晶Si: ϕ100×0.2, Si₃N₄: ϕ100×0.3, SiN: ϕ100×1	膜中心, 1个, ϕ10	CVD SiN, h=1 沉积到坑底	70
3	圆形 (边缘平滑)	多晶Si: ϕ100×0.2	Si₃N₄: ϕ100×0.1, 多晶Si: ϕ100×0.2, Si₃N₄: ϕ100×0.3, SiN: ϕ100×0.5, LTO: ϕ100×0.5	膜中心, 1个, ϕ10	CVD SiN, h=1 沉积到坑底	99

* 通过腐蚀孔腐蚀牺牲层和单晶Si用的腐蚀剂, 方案1是KOH, 方案2和方案3是TMAH

在文献[16]中 (见表1第5行) , 玻璃上沉积厚4 μm、宽100～200 μm的Al键合环, 通过RTP技术, 将玻璃和Si₃N₄薄膜 (0.5 μm) /Si片键合起来, 键合面积300 μm×300 μm或1 000μm×1 000 μm, 形成有多晶Si谐振器的空腔。RTP封装后, 器件浸泡在DI水中, Si谐振器的谐振频率19.7 kHz。高压斧加压试验表明, 35 ℃, 100 kPa 和95 %RH下, 键合面积1 000 μm×1 000 μm器件的MTTF为270年 (可信度90 %) 。MTTF随键合环宽度增加和键合面积减小而增大。热冲击试验-195～200 ℃来回20次, 59个器件中有2个失效。这些结果说明, 通过Al键合环, RTP用于整片封装键合玻璃和Si₃N₄薄膜/Si片, 不影响谐振器参数, 器件气密性和可靠性很好。

文献[21]介绍了“微机械空腔技术”封装的Si谐振结构双轴电容性加速度计, 先腐蚀2 μm浅坑, 通过3次沉积介质绝缘膜, 2次沉积掺杂多晶Si , 3次光刻, 1次腐蚀牺牲层, 形成电连线和谐振器铆点, 谐振器动电极和质量块, 并有小孔、多晶Si作顶盖的空腔, 顶盖通过多晶Si支柱牢牢铆在固定电极上, 然后用沉积钝化层堵死小孔。减薄Si片至380 μm、划成4 mm²芯片, 用引线与ASIC相连, 做成塑封器件, 注塑时压力为10 MPa, 此时, 微机械顶盖仍有很好的承受力而不破坏, 关键是每个顶盖要有足够数量的多晶Si支柱支撑。

《3.2局部操作密封》

3.2局部操作密封

硅芯片局部操作密封 (SLS) 是指局部要键合的地方处于加热, 而其他有电路和传感器芯片不希望加热的地方则处于较低温度, 从而得到高强度的键合界面, 而又不影响器件性能的一种密封。显然这种密封解决了要求较高键合强度而又不影响器件性能的矛盾, 是芯片密封技术的新突破。

局部CVD密封最早见文献[22], 这种密封对键合材料界面或表面粗糙度要求不太高, 甚至可以跨过互联线而达到键合。封装盖材料取Si₁衬底, 先热氧化生长1 μm SiO₂ (电和热隔离层) , 然后LPCVD沉积和光刻出厚1 μm、宽8 μm条形多晶P⁺-Si局部加热器结构。将上述结构材料与衬底材料Si₂材料对准合上, 使条形局部加热器与下方材料保持有1 μm间隙, 进行LPCVD沉积多晶Si, 真空室硅烷67 Pa, 局部加热器温度800 ℃, 约1～2 h 多晶Si长满间隙, 上下材料即局部键合。局部键合处样品截面的SEM照片表明键合得很好。原文未交代气源进入间隙和器件中残余气体除去问题。其他SLS技术有局部共晶融化键合、局部焊接键合和微波局部键合等 ^[22]。

文献[23]回答了文献[22]等文中未交待的问题, 其原理是利用一个有缺口的多晶Si键合环将玻璃薄片与有浅坑的体Si静电键合起来, 形成有狭长通道 (截面1 μm×1 μm) 内外相通的空腔, 然后放进低压硅烷系统, 由于通道下预先做好多晶Si加热器 (呈蛇形, 多次横跨通道) , 一旦局部加热, 硅烷热分解沉积出多晶Si即将通道堵死。为了做成通用性MEMS空腔, 还在空腔中制备了Si梳状谐振器和Si除气加热器, 分别作压力测定和减少残留气体用, 总共通过3次沉积介质绝缘膜, 2次沉积掺杂多晶Si, 3次光刻, 以及牺牲层技术完成。此后将Si片划成管芯5 mm×5 mm (每个内外相通空腔内有两个Si梳状谐振器和两个Si除气加热器) , 放入24针DIP进行装架焊接引线后, 在PECVD中抽空至33 Pa, 2 h, 充硅烷, 流量40 mL/s, 接通有缺口的多晶Si加热器电源加热约1～2 h , 沉积的多晶Si就将狭长通道堵死, 密封完成, 但空腔内仍有残留气体, 再接通一个Si除气加热器电源 (130 mW, 5 min) , 空腔内硅烷热分解后气压降低, 由事先标定的谐振器Q值与气压的关系, 得气压为4 Pa , 以后如气压升高, 可起动第二个除气加热器予以降低。可见这套技术的优点非常明显, 完全与平面工艺相容, 只在局部加热, 不影响MEMS和IC管芯性能, 技术成熟后的划片可移到全部工艺的最后一步。

《3.3选择防护》

3.3选择防护

对MEMS进行防护也是封装要做的事, 在MEMS中往往要选择防护。

目前商品ADXL50等谐振式微加速度计 ^[19]和集成度可与IC比拟的数字微镜器件 (DMD) ^[20]用表面微机械生产。ADX50由BiCMOS IC (具有检测、放大和自检功能, 先做) 和对加速度敏感的多晶Si梳状微振子 (后做) 组成, 完成后腐蚀牺牲层, 在电接触处沉积Al和金属化, 然后沉积氮氧化硅保护IC电路和引线, 但留出敏感元件部分 (影响加速度) , 引线后在N₂气氛下封入TO100金属管壳。器件工作温度 -40～105 ℃, 加速度量程±50 g, 灵敏度 (20 mV) /g, 频响1 kHz, 从1.2 m高度跌落到平地无问题, 可耐瞬间 (0.1 ms) 脉冲加速度1×10⁴g, 工作寿命15年。DMD由1 kb×1 kb 的CMOS静态存储器 (下层, 先做) 和数量等于存储器、可摆动 ±10°的微机械Al镜 (上层, 后做) 组成, 引线后在干燥气氛下装入类似IC封装、非常平整透光玻璃上盖板的管壳, 工作寿命15年。笔者曾讨论这类带有小间隙MEMS器件因湿度引起微结构与衬底粘合而影响器件可靠性问题 ^[24], 所以在干燥气氛下封装是绝对必需的。此外DMD器件失效试验表明, 最大的罪魁祸首是微颗粒, 所以整个工艺环境必需绝对干净。

微机械压力传感器为了检测外部压力, 内部必须接触外部氛围, 其中金属Al压焊点、Al引线等必须防腐, 而敏感膜则不能有防护层 (影响器件灵敏度和有加速度时器件零位输出) 。文献[25]等用的是对逐个器件进行封装 ^[25]。当器件键合到管座和焊好Al引线后, 就往管座里管芯上粘一个模压塑料环或微机械加工Si微结构环, 环尺寸取内径大于敏感膜、外径小于压焊点, 高度盖住鼓起的Al引线 (太低盖不住, 太高会减低引线强度) , 然后在环外灌入凝胶并经一定温度处理。实验表明这种器件测海水和酸溶液压力时有很好耐腐蚀性。

文献[26]对逐个管芯表面压焊点涂

《图3》

UV 光刻胶polydimethylsiloxane (PDMS) 作成防腐蚀水流量计, 效果很好, 整片涂

《图4》

PDMS技术最近又有报道, 在压阻敏感膜处没有胶, 为此制备了专用涂胶机, 涂层均匀, 厚可至几毫米。实验取ϕ100 mm Si片, 有管芯约170个, 管芯四角有压焊点, 敏感膜尺寸2 mm×2 mm, 整片涂

《图5》

PDMS, 再曝光、显影、去膜、坚膜, 成为除敏感膜外整片管芯表面都涂上厚1.8 mm光刻胶, 然后从背面整片各向异性腐蚀Si, 划成6 mm×6 mm小片, 逐个装入TO8管壳, 若需要还可在金属引线及焊点上再涂硅凝胶和加温处理作进一步防腐处理。

《4 讨论》

4 讨论

从MEMS研究开始就应考虑封装。一个MEMS器件无论性能多好, 没有好的封装是不能实用的。研究一开始, 要考虑器件的作用 (测压力或加速度等) 、具体指标和用那些辅助元件 (电阻、电容和晶体管等) 来提高器件性能和校正, 还要考虑适应工作环境 (温度、气氛、受力和生物相容性等) 的封装措施, 以及器件工艺过程中测量 (不能等封装后才测量) 等。增加元件数目和封装措施会增加芯片复杂性、减低成品率, 从而增加成本;若不做, 器件功能不能发挥, 长期稳定不能保证。因此应该在保证器件功能下尽量减少芯片复杂性, 据此决定器件结构、特殊结构 (腔、桥、孔、沟、道等) , 电路、引线和

《图6》

线, 密封、封装和工艺等。

文献中有过未充分考虑封装而走弯路的例子:

文献[1]中提到油矿地音探测器 (一种极低噪声加速度计) , 要求器件尺寸小, 测量范围0.1 g , 在200 Hz带宽下噪声0.01 g , 据此选择尽可能大的质量块和在真空下工作。用2片Si片, 1次Au-Si键合, 1次真空EB键合, 背面引线孔金属化完成。到此才发现芯片面积牺牲掉近一半, 还没有考虑与电路混合集成, 不得不重新试验其他方案, 芯片和帽盖用环氧树脂封装或芯片和IC (又作帽盖) 用SnPb封装等。另一件工作, 他们的加速度步行计在到芯片工作完成时, 应用一方提出要求将芯片直接焊到树脂板上, 为此又重新化了一年时间研究新封装, 用树脂封装芯片和帽盖以保护微结构谐振器, 背面引出的引线改为正面引出。

文献[8]的真空电容压力传感器到实际应用时才发现原器件有缺点, 原设计测压小孔和引线小孔做在同一面玻璃上, 不利于连接系统。为此将原来G₁面上引线小孔做到G₂面上, 引线从这里引出, 将G₁与可伐管子焊接, 这样测压小孔就可以方便地与系统连接。

文献[27]的结果说明, 商品Si压阻微机械压力传感器经过改进封装和精密校正, 可做成用于探测火星上很低压力的精密低压传感器。一般认为商品Si压阻微机械传感器用于廉价和精度不太高场合, 但实验表明用这些管芯, 改进封装和采取措施后可以大大改进参数。用于火星探测器的压力传感器见表3。第3列是带温度校正仪表的结构型压力传感器, 参数相当好, 但质量大, 功耗很高;第4列是商品Si压阻微机械传感器, 动态范围和耐冲击不成问题, 但其他参数远不能满足要求;第5列是带有温度校正ASIC的低应力Si压阻微机械压力传感器, 参数满足要求, 重量和功耗很低, 其芯片选自商品, 关键是在装架和封装时不带进应力。为隔离应力和温度变化引起不同材料的热应力和震动, 采用多层键合和粘结技术, 如Si压力敏感芯片本身先与第二层Si衬底键合, 再与-80 ℃仍有弹性的硅胶薄膜软性粘合, 成为芯片组件, 再将芯片组件和ASIC装入多层陶瓷衬底, 用树脂与Ti基座粘合, 还有连接Al引线要非常短且平直, 以及为防止硅胶流动引起器件零位漂移, 调试好的器件, 其温度应保持在<40 ℃。从这里可看出封装步骤繁多, 其成本远远超过芯片价格。

表3 用于火星探测器的压力传感器 ^[27]

Table 3 Piezoresistive pressure sensors used in Mars Pathfinder ^[27]

《表3》

参数	要求值	压力传感器^*1	微机械传感器^*2	ASIC微机械传感器^*3
失调/kPa	<0.2		<5
量程/kPa	>0.14		100
温度系数/Pa (100 ℃ 以内)	<200		4000
分辨率/Pa	<5	<0.1		5
精度/Pa	<50	<3	<500	±50
耐冲击	>100 000 g	OK	OK	OK
质量/kg		0.5		0.03
功耗/mW		250		50

^*1 估计是一种结构型传感器; ^*2 Lucas Nova Sensors 产品;^*3 芯片从Lucas Nova Sensors 产品中挑选, 封装时注意应力

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